基于数学模型的煤与瓦斯耦合问题研究

煤与瓦斯突出具有突发性、不可预测性,成为了国内外煤矿开采领域研究的重点课题。文章以煤与瓦斯耦合为研究对象,结合克林肯伯格效应和吸附膨胀效应,确立了瓦斯渗透率和煤体孔隙率关系,并建立了煤与瓦斯固气耦合数学模型。通过对模型的数值模拟分析,结合实际测量验证了模型的有效性。此研究为煤与瓦斯突出的深层机理研究提供了可靠的数学依据。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

拉性载荷作用下煤和瓦斯突出的失稳机理及数值模拟

本文从变形力学系统平衡的稳定性观点对拉性载荷作用下煤和瓦斯突出的机理及判据进行了研究和讨论。     

煤与瓦斯突出的渗透失稳机理分析

为探索煤与瓦斯突出机理,基于流固耦合理论,对地面煤田钻井、实验室巷道增压试验及金属栅栏的抑突效应进行了分析,提出了煤与瓦斯突出属渗透性失稳的观点,其主要内容是:煤层瓦斯压力梯度是反映地应力、瓦斯压力和煤层渗透性相互影响的一种综合性指标。突出分为2个阶段:第1阶段是煤体失稳阶段,产生失稳的动力是瓦斯的渗透力;第2阶段是煤与瓦斯突出的运移阶段,其主要动力是瓦斯的膨胀压力。瓦斯的渗透力取决于瓦斯压力梯度,而瓦斯膨胀压力取决于瓦斯绝对压力。降低煤层瓦斯压力、增加巷道气压背景值及延长渗流途径是降低煤层瓦斯压力梯度的3种途径。     

煤层注水治理瓦斯灾害流固耦合关系研究

为消除瓦斯突出危险及工作面煤尘污染,基于平煤股份十矿己_15-16-24130工作面煤层地质赋存条件,建立了注水情形下煤层破坏的瓦斯抽采模型。提出了注水消除煤层瓦斯突出危险、降低煤尘排放的应用方案,分析了裂隙自由水运移影响下注水钻孔塑性破坏过程。模拟结果表明:随着自由水的注入,扩大了钻孔塑性破坏区范围,降低了自由水润湿区域内煤层物理特性。伴随自由水压力的升高,自由水逐渐进入煤层深部,提高了裂隙空间内自由水饱和度,抑制了煤层内瓦斯解吸、扩散过程,减少了瓦斯的释放。结合现场工业性试验可知,外界自由水的注入对煤层软化、破坏效果显著,对减少煤矿井下煤尘灾害、消除工作面瓦斯突出风险具有重要意义。     

构造煤与应力场耦合作用对煤与瓦斯突出的控制

以贵州省青龙矿为研究实例,重点探讨构造煤与构造应力场的耦合作用及其对煤与瓦斯突出的影响。分析了青龙井田地质构造演化,模拟和计算了现今构造应力场,总结了构造煤的类型及其分布特征。发现该矿煤与瓦斯突出位置是构造应力场中主应力差较低的区域,压性断层附近的构造煤具有分带现象,自断层面远离断层构造煤从韧性系列向脆性系列过渡。认为构造煤结构与构造应力场在时间上的耦合形成脆性-韧性变形的构造煤系列,在空间上的耦合导致构造煤在断层两侧的发育具有明显的分带性。构造煤与构造应力场的耦合控制了煤层瓦斯的产生、运移和聚集,并导致了在脆性-韧性构造煤条带状分布的压性断层附近易于发生煤与瓦斯突出。     

钻孔瓦斯抽采流-固耦合数值模拟

为了探究钻孔瓦斯抽采过程中瓦斯压力随时间的变化规律,通过建立流-固耦合模型,考虑渗透率、孔隙率和体积应变的动态变化,结合矿井煤层物性参数,运用多物理场软件进行了模拟分析。分析结果表明:随着抽采时间的延长,钻孔周围煤体瓦斯压力逐步降低,在瓦斯抽采过程中,瓦斯压力的降低有助于渗透率的提高,但影响效果甚微,埋藏深度对煤层渗透率起主导作用。     

冲击地压耦合的煤与瓦斯突出防治技术

基于对冲击地压耦合的煤与瓦斯突出发生机理的认识,通过逆向改善发生煤岩瓦斯耦合型动力灾害的材料属性条件、环境应力强度条件、触发动力条件及瓦斯地质条件和开采扰动条件,实现冲击地压耦合的煤与瓦斯突出的防治。     

DIVISION OF POTENTIAL DANGER ZONE OF COAL AND GAS OUTBURST

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煤与瓦斯突出的突变规律的参数研究

把煤与瓦斯突出看作是一个复杂的系统,利用系统论中的突变模型分析研究煤与瓦斯突出机理。围岩应力与应变作为控制参数,采矿活动作为状态参数,分析研究煤与瓦斯突出参数的变化规律,为煤与瓦斯突出的理论研究和实验方案的确定提供了参数计算基础。     

煤与瓦斯突出危险性预测指标的探讨

针对煤与瓦斯突出危险性预测指标确定的要求和各种因素对突出危险性预测确定的影响,重点分析了单一指标在预测煤与瓦斯突出危险性中的局限性,钻孔定位对敏感指标确定的影响和支持方式不合理或支护不及时对指标的影响,并对不同条件下各种突出敏感指标选择进行讨论。     

BP神经网络在煤与瓦斯突出预测中的应用

鉴于煤与瓦斯突出对煤矿的安全生产的威胁以及其影响因子的复杂性,合理的选择煤与瓦斯突出预测的影响因子,利用非线性的BP人工神经网络建立煤与瓦斯突出强度预测模型,来预测煤与瓦斯突出强度的大小。结果显示,煤与瓦斯突出强度的预测值与实测值吻合得较好,表明采用BP神经网络预测煤与瓦斯突出强度是可行的,为矿井煤与瓦斯突出的预测提供了一种预测精度较高的方法。     

煤与瓦斯突出的二维模拟实验研究

介绍了自行设计、加工的模拟煤与瓦斯突出的二维实验装置及配套的压力数据自动采集处理系统。在二维模拟实验装置上做了一系列的实验。实验发现，煤样的破坏存在“开裂”和“突出”两类典型的破坏形式，破坏阵面的前沿以拉伸强间断的形式向外传播；煤体破坏的初期是轴对称的，而后则只在某一方向上向外扩展，而且破坏阵面的扩展速度是逐渐衰减的，不存在恒稳推进，在煤体破坏过程中，应力重新分布，并有４种不同的应力转移形式。这些结论对于认识煤与瓦斯突出的机理是十分有益的。     

老虎台矿－730m硐室煤与瓦斯突出及防治浅析

分析了开拓检修铜室煤与瓦斯突出原因并采取了防治措施，取得了良好的经济效益。     

顺煤断层的基本类型及其对瓦斯突出带的控制作用

顺煤断层是指断面分为３种基本类型：褶皱型、带是瓦斯突出煤层或突出带，展布特征的研究，有助于构造与煤层呈小角度相交的断层，按其成因，顺煤断层被划型和转换型，在高瓦斯矿区，顺煤断层发育的煤层和地制构造煤的分布控制瓦斯突出带，顺煤断层形成机制和布的预测，进而实现瓦斯突出危险带预测。     

论构造应力场及其演化对煤和瓦斯突出的主控作用

煤和瓦斯突出是地应力、煤的物理力学性质以及瓦斯压力三个因素综合影响的结果，而地应力中所包括的构造应力起主导控制作用。作者从多种角度、不同层次作了深入讨论。首先指出“残余构造应力”影响甚微；其次重点阐述了古构造应力场和现今构造应力场及其演化分别在控制谋和瓦斯突出中所起的重要作用，古构造应力促进瓦斯生成，改变瓦斯运移、赋存条件，破坏煤体结构等。现今构造应力构成了现今地应力的主体，直接参与突出过程。由此为有效防治煤和瓦斯突出提供了理论基础。     

嘉禾煤矿浦溪井煤与瓦斯突出规律研究

介绍了嘉禾煤矿矿浦溪井从１９８７年至１９９７年５月的煤与瓦斯突出有关情况，分析了瓦斯突出的控制和影响因素。